实验⼀软件⽆线电基础
实验⼀软件⽆线电基础⼀、实验⽬的
熟悉软件⽆线电实验平台，了解软件⽆线电平台的软硬件处理通信任务的过程，学会软件⽆线电的基本设计⽅法和开发⼯具软件使⽤⽅法。⼆、实验内容
⽤软件⽆线电实验平台和LabVIEW软件创建⼀个调频⽆线接收器；创建⼀个⾃定义LabVIEW ⽤户界⾯，配置 USRP，⽤LabVIEW设计⽆线通信系统原型。三、实验仪器1 USRP实验平台⼀台2 计算机⼀台四、实验原理1 软件⽆线电平台原理
⽆线通信测试创新论坛对软件⽆线电(SDR) 的定义：“⽆线电的⼀些或全部的物理层功能由软件定义。”
软件⽆线电参考了这样⼀个技术：在通⽤硬件平台上运⾏软件模块，⽤于实现⽆线通信功能。结合USRP通⽤软件⽆线电硬件和模块化软件的优势，提供了满⾜多功能需求且灵活性强的快速通信原型平台，适⽤于物理层设计、算法验证、多标准⽆线系统、⽆线信号录制与回放、通信情报等应⽤。
图 1. 软件⽆线电平台构架2 软件⽆线电实现的数字通信系统2.1典型的数字通信系统
⼀个典型的数字通信系统包括：发射机、接收机和通信信道。图3展⽰了⼀个数字通信系统的通⽤组件。放在第⼀⾏是发射机，包含信源编码、信道编码、调制、上变频模块。第⼆⾏是接收机由下变频、匹配滤波器、均衡器、解调、信道译码和信源译码模块组成。
图2 数字通信系统框图
2.2 NI USRP ⽆线通信实验系统
图3 NI-USRP ⽆线实验系统硬件、软件平台1） NI USRP 硬件平台图4 NI-USRP 硬件平台前⾯板
射频信号输⼊到SMA 连接器，USRP 硬件平台通过直接变频接收机中的混频操作，产⽣同相正交（I/Q ）基带信号 ，再经过⼀个2通道，速率为100 MS/s 的14位模数转换器 (ADC)采样。然后数字化的 I/Q 数据并⾏地经过数字下变频（DDC ）过程，混频、滤波，使输⼊的100MS/s 的信号达到指定速率。32位的下变频采样信号（每对I/Q 各16位），通过标准千兆以太⽹连接，以⾼达20MS/s 的速度传给主机。通过千兆以太⽹线连接PCRX1 TX1接⼝可以安装天线电源接⼝
对于发射端，PC 主机合成32位的基带 I/Q 信号样本 （每对I/Q 各16位），然后再通过千兆以太⽹以⾼达20 MS/s 的速度供给NIUSRP 。USRP 硬件利⽤数字上变频（DUC ）过程，将输⼊信号速率变为400 MS/s ，然后采⽤双通道16位的数模转换器（DAC）将其转换成模拟信号。由此产⽣的模拟信号与指定的载频混频。Analog RF TransceiverFixed FunctionFPGAPC
图 5 NI-USRP 系统框图2）NI-USRP 软件平台
软件⽆线电系统其中的数据处理组件是由软件实现的。这些组件包括滤波器、调制器和解调器。因为这些组件是在软件中定义
的，可以根据需要调整软件⽆线电系统，⽽不必在硬件上作⼤的改动。由于现在的计算机可以有⾮常快速的处理器和⾼速的接⼝，NI-USRP 的主要开发环境是NI LabVIEW 。NI LabVIEW 是⼀种将⽂本编程的低复杂度抽象为可视化语⾔的图形化编程语⾔，科学家以及⼯程师们⼴泛地使⽤它在多种环境中进⾏采集、处理、分析和显⽰测量数据。所以我们能够利⽤计算机上使⽤LabVIEW 快速地实现软件⽆线电的设计。
LabVIEW 是⼀个图形化（G ）编程环境。⽬前，世界各地有成千上万的⼯程师应⽤LabVIEW 来进⾏⼩型、中型甚⾄系统级的项⽬设计。
在LabVIEW 环境中，⽤户界⾯被叫作前⾯板，背景⾊为灰⾊。⽤户或者操作者可以通过在前⾯板上添加控件、旋钮、开关、图形、图表和发光⼆极管等器件来进⾏程序控制。
LabVIEW 的编程界⾯被叫做程序框图，其背景为⽩⾊。可以通过在程序框图上添加众多⼦功能和⼦例程，来搭建满⾜⾃⾝需求的程序，达到想要的功能。另外，LabVIEWRXTX
⾃带了许多预定义的功能，可以通过对这些预定义功能的组合重⽤，来节省搭建模型和访问硬件设备的时间。
图 6 前⾯板（左侧）和程序框图（右侧）⽰意图3）LabVIEW 快捷键
下⾯列出了LabVIEW中的快捷键。可以参考LabVIEW Quick Reference Card，⼀个PDF 版的快捷键说明⽂档。表1 LabVIEW 快捷键按键描述
Ctrl + C 复制选中项Ctrl + V 粘贴选中项Ctrl + X 剪切选中项Ctrl + Z 撤销
Ctrl + Space 激活下拉菜单Ctrl + H 上下⽂帮助开关Ctrl + B 移除框图中的断线Ctrl + E 在前程序框图之间切换Ctrl + R 运⾏选中VICtrl + S 保存选中VI
Ctrl + T 将前⾯板和程序框图竖直并排放置Ctrl + U 整理框图⾯板（程序框图）
Ctrl + Click & Drag 在程序框图插⼊⼀个空格4) NI-USRP 函数库
LabVIEW针对NI-USRP的设置与控制，需要安装NI-USRP函数库，在空⽩处点右键打开函数库，到仪器驱动> NI-USRP，会出现和下图相似的库。拖拽⼀个函数到框图上就可以调⽤NI-USRP的函数库开始编程。
图7 LabVIEW中的NI-USRP函数库①niUSRP属性节点
使⽤niUSRP特性来访问⾼级配置选项来应⽤NI-USRP驱动。
图8 niUSRP 属性节点②⼋个最常⽤的NI-USRP函数
接下来的⼏个部分概括了⼋个最常⽤的USRP函数来帮助⼤家进⾏实验。已经根据功能将他们分类：配置、读/写、结束。⼤部分的数据采集程序都包含这些类别，并且在创建新的LabVIEW VI（虚拟仪表）时它们是最重要的程序设计模型。
图9⼋个最常⽤的NI-USRP函数③配置函数
niUSRP 打开Rx会话
niUSRP 打开Rx会话VI是第⼀个⽤来创建接收射频信号的软件会话。其⼀个会话对于发送配置数据和在USRP中检索IQ数据是很有必要的。
⼀个Rx会话只能与Rx函数⼀起使⽤。
图11 niUSRP开Rx会话VI的即时帮助niUSRP配置信号
niUSRP 配置信号 VI 可以与接收会话Rx或传输会话Tx⼀起使⽤。它可以设置IQ 率，载频，增益和有源天线。对多重USRP配置，频道列表制订了⼀个特殊的
USRP。并不是所有的IQ率、频率以及增益都是有效的。读⼊强制（实际）值来看是否与请求值不同。
图12 niUSRP配置信号VI的即时帮助niUSRP初始化
niUSRP初始化VI 启动了接收会话并且告诉USRP 所有配置已经完成，USRP应该开始捕获IQ数据（即采样）了。该VI 只能与Rx会话⼀起使⽤。
图13 niUSRP 初始化VI的及时帮助niUSRP 打开 Tx 会话
niUSRP打开Tx 会话VI是第⼀个⽤来建⽴与USRP的连接进⾏射频信号传输的VI。其⼀个会话对于发送配置数据和向USRP发送IQ数据是很有必要的。⼀个 Tx 只可以和 Tx 函数⼀起使⽤。
图14 niUSRP 打开Tx 会话VI的及时帮助④读写功能
niUSRP 提取接收数据 (多态)
niUSRP Fetch Rx Data VI可以从由niUSRP Open Rx Session VI接收进程的USRP来检索IQ数据。这个数据可在时域中画出来，或者进⾏数字化处理以便分析。
niUSRP Fetch Rx Data VI是多态的，也就是说可以通过要使⽤的数据类型从多个niUSRP Fetch Rx Data VI版本中选择合适的。VI只能与接收进程⼀起使⽤。
图15 niUSRP Fetch Rx Data VI⽂档帮助niUSRP 写⼊发射数据 (多态)
niUSRP Write Tx Data VI允许向USRP发送IQ数据，这样它可能会通过niUSRPConfigure Signal VI在指定的载频上发送IQ数据。
niUSRP Write Tx Data VI是多态的，也就是说可以通过要使⽤的数据类型从多个VI版本中选择合适的。
VI只能与发送进程⼀起使⽤。
图16. niUSRP Write Tx Data VI⽂档帮助NI-USRP 读写数据类型
这⾥提供了⼏个写⼊发射数据和提取接收数据图像的实例供您选择。下表给出了可多态类型描述
复杂双集群
从指定信道提取复杂的双精度浮点数据集群。Modulation ToolkitVI使⽤该双精度浮点数据集群.在使⽤。Modulation Toolkit VI的情况下使⽤此VI。复杂双波形数据
从指定信道提取波形数据类型中复杂的双精度浮点数据复杂双精度数
从指定信道提取复杂的双精度浮点数据16⽐特整型数
从指定信道提取复杂的16⽐特带符号整型数据。为了使⽤此VI，必须把主机数据类型属性设置为I16。复杂双精度数据的2维数组
从多信道提取复杂的双精度浮点数据。16⽐特整型数的2维数组
从多信道提取复杂的16⽐特带符号整型数据。为了使⽤此VI，必须把主机数据类型属性设置为I16。⑤关闭函数niUSRP Abort
niUSRP Abort VI 给USRP传递停⽌获取的命令。通过这个VI，改变配置信息的时候，⽆需完全关闭并新建⼀个新的会话。这个VI只能⽤于Rx 会话
图17. niUSRP Abort VI的上下⽂帮助niUSRP Close Session
niUSRP Close Session VI可以关闭正在运⾏的Rx或者Tx部分，并释放它们所⽤的内存。如果你调⽤了这个VI，就不能再通过USRP传输或者接收任何信息了。要想重新使USRP正常⼯作，只好重新运⾏。
图 18. niUSRP Close Session VI的上下⽂帮助五、实验内容1 硬件连接
⽤⽹线将USRP设备与PC机连接。由于调频收⾳机有⾳频输出，所以要求计算机有声卡，并且有声⾳播放器。
图19 USRP连线图
在控制⾯板中将PC机的IP设定为192.168.10.1，⽹关为255.255.255.0；连接USRP的电源、天线。
图20 PC端⽹络配置
在windows的开始菜单中All Programs\\\\National Instruments\\\\NI-USRP⽬录下⾯找到NI-USRP Configuration Utility，在Devices选项卡中应该能够看到设备（包括Device ID, IP Address, Type/revision)。如果看不到设备，请点击Refresh Devices List来寻找设备。
图21 USRP配置⼯具2 创建⼀个FM收⾳机1）找⼀个⽆线电台
⽬标a) 找到本区域的⼀些⽆线电台b) ⽤前⾯板的波形图分析这些电台A部分
1. 打开练习Exercises⽂件夹a. 在⽂件夹中打开Exercise 1A.VI
Parameter Value
Device names（设备名）192.168.10.2IQ Rate（IQ速率）10M
Carrier frequency（载波频率）93MActive antenna（所选天线）RX1Gain（增益） 1
Number of samples（采样数⽬）20kTimeout（超时）10
3. 按下运⾏按钮，你就会看到如下图所⽰的波形图。如果你的波形图中没有很多的峰值点，将程序停⽌，修改增益（gain）到30，然后再次运⾏。
FM频段的多个电台的频谱，幅度较⼤的频率位置有可能是电台的信号4. 观察FM电台的频谱图。中国、美国的FM⽆线电台分配到的频率都在88MHz到
108MHz之间。接下来选⼀个单独的电台。5. 点击停⽌按钮，停⽌程序的运⾏。
6. 点击放⼤器图标，在弹出菜单中点击最上⾯中间的图标7. 在图上选择⼀个电台，⽤⿏标选着峰值点从左到右的⼀段区域：
以某个峰点左右对称，⽤⿏标从左到右选⼀段区域
8. 在这个图中，这个FM电台的频谱在-4.6MHz到-4.8MHz之间，带宽为200KHz，这就
是电台的带宽，IQ速率设置为电台的带宽。此电台的中⼼频率与我们的载频93MHz相差 -4.7MHz（88.3MHz）
9. 调整参数使得只有这⼀个电台
a. 停⽌程序
b. 将载频设置为88.3Mc. 将IQ速率设置为200k
10. 再次运⾏程序，观察频谱图的变化
2）FM⼴播解调
⽬标a) 快速获取，显⽰，并可以收听FM⼴播电台b) 理解各个参数如何控制程序获取数据c) 学习LabVIEW数据流原理A部分 1. 打开练习Exercises⽂件夹a. 启动Exercise 1B.VI2. 选择菜单：窗⼝>显⽰框图
a. 解调，显⽰，收听⼴播所要⽤到的函数和VI已经放到了框图⾯板中（程序框图）你需要按正确的顺序将他们连起来，并完成这个练习。3. 在while循环内，找到niUSRP Fetch Rx Data (poly) VIa. 将数据输出连到“复数到极坐标”函数的z输⼊⼝
4. 将Complex To Polar函数的theta输出连到Unwrap Phase VI 的Phase输⼊端(确保你没有连r输出端)
5. 将Unwrapped Phase接到Derivative x(t) VI的X输⼊端⼝6. 将dX/dt连接到Build Waveform函数的Y输⼊端⼝7. 将波形输出⾄以下框图
a. Complex To Re/Im函数的z输⼊端⼝
b. FFT Power Spectrum and PSD VI的time Signal输⼊端⼝c. Simple Resample的波形输⼊端⼝
8. 将Simple Resample VI的波形输出端⼝接到Simple Sound VI的数据输⼊端⼝
9. 配置声卡
a. 将在while循环的左下的的蓝⾊块接到（Simple Sound）VI的任务号（task ID）输⼊端。
b. 将黄⾊块接到（Simple Sound ）VI的错误输⼊端。10. 在菜单栏选择，窗⼝>显⽰前⾯板
